生物组织的光学特性及其测量技术

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1、第21卷第3期咸宁师专学报Vol.21，No.32001年6月JournalofXianningTeachersCollegeJun.2001═════════════════════════════════════════════════════════════文章编号：1006-5342（2001）03-0032-05生物组织的光学特性及其测量技术*李忠明，肖莺（咸宁师范高等专科学校物理系，湖北咸宁437005）摘要：从物理学的角度系统地分析了生物组织的光学特性及组织光学特性参数测量的基本原理和方法，重点讨论了积分球测量技术.关键词：组织；

2、光学特性；测量技术；积分球中图分类号：TN249文献标识码：A激光在医学领域得以广泛应用的根本原因之散射作用，其散射是由于组织中各组成成分的折一就是激光照射生物组织时能产生诸如热作用、射率不连续所致.入射光能量部分转化成次波的机械作用、电磁作用、光化作用以及生物刺激作辐射能量，部分转化成其它形式的能量（如热用等各类效应，这些效应除与激光参数（如模式、能），在宏观上表现为入射光被吸收.由于散射作波长、功率密度或能量密度等）、生物组织的热学用可以用散射角分布S（θ）来表征，其中θ为单参数（如热扩散率、密度、新陈代谢热产率及血次散射事件后光的偏折角，

3、在大多数情况下，对液灌注率等）有关外，还和组织的光学参数（如（Sθ）的详细描述并不重要，通常用各向异性因组织的吸收系数、散射系数、折射率和散射各向子g=来代替，它表示散射角的平均余异性因子等）密切相关［1～3］.研究和临床应用都弦值.可见组织的光学性质可用组织的吸收系数、表明，各类效应的产生都离不开组织对光的吸收散射系数、扩散率和散射各向异性因子来描述.和散射，即是说与光在组织中的传播密切相关.吸收系数µa和散射系数µs分别表示组织中同时，组织对光的反射、透射和吸收又为研究光光子路径长度增量dz内吸收和散射所导致的辐射的生物效应、研

4、究光的治疗剂量和防护阈值等提损失速率，表述为-d∅，在600-1300nm波段，dz供重要参数.因此，对光在组织中的传播研究就软组织（如脑、肺、肝、皮肤）的典型光学参数成了激光医学研究和临床应用的中心问题，而对为［2］-1，-1µa=0.01～1mmµs=10～100mm.µt=这一问题的理解和深入研究，又依赖于生物组织表示总作用系数，其倒数为光子传输平均µs+µa的光学特性及其测量等相关知识.本文系统地描1述了组织的光学特性及组织光学特性参数的测量自由程mfp=，表示在每次散射或吸收事件发µt原理，并对相关技术作了较详细的讨论.生前光子历经的

5、平均距离，其值一般为10～1组织的光学特性100µm.尽管其平均自由程较小，但在组织中的根据分子理论，物质都是由分子、原子组成，注入还是比较深的，其原因一方面所发生的相互它们是非均匀的，即是说，尺度达到波长数量级作用大部分是散射事件而不是吸收，另一方面，的邻近团块之间的光在性质上有较大的差异.作散射作用的高度前向特性，使得光子尽管经历了为生物组织，这种差异更大，所以，当光照射时多次散射，仍能继续在组织中注入.将激起生物组织中电子作受迫振动而产生程度差单次散射事件的角分布是用相函数描述的，别较大的次波，各次波源到空间某点存在不可忽通常相函数是不知

6、道的，常用一个被称作为各向略的光程差.这些次波相干叠加除了按几何光学异性因子g来描述：规律传播的光线外，在其它方向或多或少有光线g=∫4πP（s，s'）（s·s'）dw'（1）存在，这种光线称为散射光，可见组织对光具有g值表征了单次散射不对称现象的量度，g值等*收稿日期：2001-02-20作者简介：李忠明（1964-），男，湖北嘉鱼人，咸宁师专物理系副教授，硕士.第3期李忠明，肖莺生物组织的光学特性及其测量技术33═════════════════════════════════════════════════════════════于1，0

7、和-1，分别表示极端前向散射、各向同留在组织表面附近，因而对次表面的通量的变化性散射和高度后向散射三种情况.在600～1有很大贡献.300nm波段大多数生物组织的典型g值为0.8～2组织光学特性参数测量的理论基础和方法［4～5］关于组织光学特性参数的测量人们已进行了0.95.光在组织中的注入还可由有效衰减系数大量研究［3～21］，综合起来可分直接方法和间接方µeff（mm-1）或其倒数即有效注入深度δ（mm）来表法两大类.在直接测量中，光学参数是由beer定述，基于传输理论有［3］：律决定，非散射的透射测量［8］、有效衰减测量［9］以及单次散射

8、相关函数的角测量［10］都属于直接测11δ==（2）µeffﾍ3µa［µa+µs（1-g）］量技术；间接测量的理论基础是光散射理论，它当光子在组织中注